Konstanta Planck

Meskipun nilainya sangat kecil, konstanta ini kini dianggap sebagai salah satu konstanta universal yang penting.

Sesuai namanya, konstanta Planck ditemukan oleh Max Karl Ernst Ludwig Planck pada tahun 1900. Di dalam fisika, konstanta Planck dikenal melalui lambang h. Sekalipun nilainya sangat kecil, yakni 0,000 000 000 000 000 000 000 000 ‘000 000 000 662 617 Joule-detik, namun konstanta ini kini dianggap sebagai salah satu konstanta universal yang penting.

Bagaimana caranya Planck menemukan konstanta yang demikian kecil ini? Untuk itu, ada baiknya kita melihat perkembangan ilmu sampai pada zaman Planck.

Aksi Berjarak
Sejak zaman kuno, manusia telah mengenal gaya. Melalui gaya, manusia dapat menarik atau menolak benda. Bahkan, mereka menggunakan gaya untuk mengangkat benda serta meletakkannya ke tempat lain. Dalam semua peristiwa gaya ini, jelas gaya menyentuh benda yang dikenai gaya itu. Di dalam fisika, titik sentuh ini dikenal sebagai titik tangkap .

Beberapa abad yang lampau , lsaac Newton mengemukakan bahwa benda saling menarik. Gaya tarik ini berbanding lurus dengan massa benda itu, serta berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka . Gaya tarik ini dikenal sebagai gaya gravitasi. Gaya ini pula yang menyebabkan buah apel jatuh dari pohonnya ke permukaan tanah. Dan gaya ini juga yang menyebabkan semua benda jatuh ke permukaan bumi.

Kemudian, Charles Augustin de Coulomb, menemukan hukum serupa di antara muatan listrik. Bahkan, lebih dari itu, selain saling menarik, muatan listrik pun dapat saling menolak. Gaya tarik atau gaya tolak ini berbanding lurus dengan muatan listrik serta berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka. Hal serupa juga ditemukan pada magnit.

Gaya gravitasi, listrik. dan magnit ini mempunyai satu kesamaan lagi. Gaya itu terjadi sekalipun benda, muatan listrik, atau magnit itu tidak bersentuhan. Muncullah bersama itu, suatu gagasan baru berupa aksi berjarak, yakni gaya yang beraksi tanpa melalui sentuhan.

Medan Gaya
Tampaknya, para ilmuwan tidak puas dengan pengertian aksi berjarak ini. Mereka mencoba untuk menerangkan bagaimana gaya itu dapat beraksi sekalipun tanpa sentuhan. Untuk itu, mereka menciptakan konsep medan gaya. Menurut konsep ini, di sekitar suatu massa terdapat ruang yang berisikan gaya. Ruang yang berisikan gaya ini dikenal sebagai medan gaya, atau sering disingkat menjadi, medan.

Besarnya gaya yang dapat ditimbulkan oleh medan gaya itu dinamakan kuat medan. Dan kuat medan ini bergantung kepada letaknya di dalam medan itu. Konsep medan gaya ini pun terdapat pada listrik dan pada magnit. Dan dengan demikian, selain medan gaya gravitasi, kita mengenal juga medan gaya listrik serta medan gaya magnit.

Para ilmuwan juga menemukan bahwa listrik dan magnit bertalian sangat erat. Listrik dapat membangkitkan magnit sedangkan magnit dapat membangkitkan listrik. Muncullah istilah elektromagnet yang digunakan untuk menyatakan gejala timbal-balik ini. Lebih dari itu, melalui perhitungan yang cukup rumit, James Clark Maxwell menunjukkan adanya medan gaya elektromagnet.

Ternyata, Maxwell tidak berhenti sampai di situ. Di da-lam perhitungan itu, Maxwell juga menunjukkan bahwa cahaya adalah suatu bentuk medan elektromagnet. Penemuan ini mengaitkan teori cahaya dengan medan elektromagnet.

Beberapa abad yang lampau, Christiaan Huygens mengemukakan bahwa cahaya adalah gelombang yang merambat. Dengan demikian, teori ini pun diperluas lagi dengan medan elektromagnet, yakni medan elektromaknet adalah gelombang yang merambat . Muncullah pengertian panjang gelombang serta frekuensi pada medan elektromagnet.

Peranan Maxwell dalam teori cahaya ini cukup besar. Melalui penemuan Maxwell ini, teori gelomb ang cahaya dari Huygens memperoleh pengukuhan. Dan bersama itu, teori partikel cahaya dari Newton mengalami kemunduran. Pada waktu itu , menjelang akhir abad yang lampau, para ilmuwan tinggal mencari: pada zat antara apa gerangan, cahaya dan medan elektromagnet itu merambat? Karena cahaya dapat merambat di dalam ruang hampa, maka timbullah gagasan bahwa ruang hampa itu sebenarnya tidak hampa. Mereka menciptakan suatu konsep baru, konsep eter. Kata para ilmuwan, di dalam ruang hampa itu terdapat zat eter. Namun, eter ini terlalu halus untuk dapat diukur atau ditimbang.

Benarkah itu, bahwa dalam ruang hampa terdapat zat eter?

Tidak lama kemudian, muncul Albert Abraham Michelson. Bersama Edward Williams Morley, Michelson mengukur kecepatan rambatan cahaya apabila cahaya itu merambat sejajar dan tegak lunis terhadap poros bumi. Kalau memang bumi berputar di dalam eter, maka angin eter seharusnya menunjukkan bahwa kedua kecepatan rambatan cahaya itu berbeda. Namun, mereka sama sekali tidak menemukan perbedaan itu. Dan bersama itu , teori eter pun tumbang.

Benda Panas
Sumber cahaya ada di mana-mana. Salah satu sumber cahaya adalah benda panas. Pada temperatur tertentu, benda panas itu akan memancarkan cahaya. Menurut teori Gustav Robert Kirchhoff, benda gelap yang menyerap semua panjang gelombang atau frekuensi cahaya, jika dipanaskan, akan memancarkan semua panjang gelombang atau frekuensi cahaya. Dengan kata lain, pancaran cahaya pada benda panas adalah kontinu. Namun, dalam kenyataan, terdapat hal-hal yang menarik perhatian.

Pada temperatur rendah, pancaran cahaya benda panas adalah kemerah-merahan. Sedangkan pada temperatur tinggi, pancaran cahaya benda panas adalah kebiru-biruan. Ini. berarti, bahwa banyaknya frekuensi cahaya tidaklah merata. Ada daerah frekuensi cahaya yang banyak dipancarkan, serta ada daerah frekuensi cahaya yang tidak banyak dipancarkan. Mengapa demikian?

Wilhelm Wien menyusun rumus penyebaran frekuensi untuk pancaran cahaya pada benda panas ini. Namun, rumus Wien ini hanya baik untuk frekuensi tinggi. John William Strutt Rayleigh III juga mencoba menyusun rumus penyebaran frekuensi pada pancaran cahaya benda panas. Sayangnya, rumus Rayleigh pun hanya baik untuk frekuensi rendah. Lagi pula, rumus Wien dan Rayleigh ini tidak menerangkan mengapa penyebaran frekuensi itu demikian.

Salah seorang ilmuwan yang sangat tertarik kepada gejala ini adalah Max Karl Ernst Ludwig Planck. Planck belajar di Berlin dengan guru-guru terkenal seperti Helmholz, Clausius, dan Kirchhoff. Pada tahun 1879, Planck menyelesaikan studi doktornya di bidang termodinamika. Menurut Planck, Helmholz tidak membaca disertasinya itu, Clausius tidak tertarik, dan Kirchhoff bahkan tidak menyetujuinya.

Pada tahun 1880, Planck bekerja diMunchen dan lima tahun kemudian, ia ditunjuk sebagai guru besar di Universitas Kiel. Kemudian, Helmholz tertarik kepada Planck sehingga Planck memperoleh pekerjaan di Universitas Berlin. Pada tahun 1889, Planck menggantikan kedudukan Kirchhoff yang telah meninggal. Di sini, Planck niulai tertarik kepada benda gelap yang dikemukakan oleh gurunya, Kirchhoff. Gagasan Kirchhoff bahwa benda belap yang menyerap semua frekuensi cahaya, jika dipanaskan, akan memancarkan semua frekuensi cahaya, tetap teka-teki.

Pikir Planck, kalau benda panas itu memancarkan semua frekuensi cahaya, maka penyebaran frekuensi cahaya itu akan mempunyai pola tertentu. Seharusnya, lebih banyak frekuensi terletak di daerah frekuensi tinggi daripada di daerah frekuensi rendah, sekiranya bentangan frekuensi itu tidak berbatas. Ini berarti bahwa pancaran cahaya benda panas akan menumpuk ke warna lemb ayung (violet) sehingga terjadilah bencana lembayung. Namun, hal ini tidak terjadi.

Teori Kuantum
Di Universitas Berlin, Planck terus berpikir tentang hukum pancaran cahaya pada benda panas. Bahwa pemikiran itu cukup menguras tenaga Planck, tampak pada kata Planck sendiri dua puluh tahun kemudian: “Ketikaa menengok kernbali ke jalan yang panjang dan penuh siksaan yang akhirnya menjurus ke penemuan itu ,” kata Planck, “ada kalanya, perkembangan itu menimpa saya sebagai gambaran baru dari kata Goethe bahwa ‘manusia keliru , selama ia masih berusaha’.”

Planck berusaha mencari rumus yang dapat menerangkan bentuk pancaran cahaya pada benda panas untuk semua temperatur. Rumus itu menjadi suatu tujuan dari usahanya itu. Dan dalam hal ini, Planck juga berkata, “Pengejaran suatu tujuan yang terangnya tidak dikurangi oleh kegagalan awal, adalah prasyarat yang tidak boleh tiada untuk mencapai keberhasilan terakhir, sekalipun hal itu bukanlah suatu jaminan.”

Akhirnya, Planck muncul dengan suatu rumus sederhana. Pada tanggal 14 Desember 1900, Planck memasukkan suatu makalah ke Himpunan Fisika Jerman. Di dalam makalah itu terdapat suatu ungkapan yang cukup jelas: Panas pancaran bukanlah suatu aliran yang kontinu dan tak terbagi. la harus dirumuskan sebagai massa tidak koritinu yang terdiri atas satuan serta, satu sama lain, semua satuan itu adalah sama. Planck menamakan satuan itu sebagai kuanta aksi.

Kuantum (bentuk tunggal dan kuanta, bentuk jamak) adalah kata Latin yang berarti “berapa banyak” atau “sekian banyak.” Dengan demikian, kuantum ini menunjukkan “sekian banyak” tenaga. Tenaga berbentuk cahaya yang dipancarkan oleh benda panas, menurut teori ini, terdiri atas kuanta. Kuantum berbanding lurus dengan frekuensi cahaya pancaran itu. Ini, berarti, bahwa tenaga cahaya itu juga berbanding lurus dengan frekuensi cahaya. Tenaga kuantum pada frekuensi tinggi akan lebih besar daripada tenaga kuantum pada frekuensi rendah.

Kalau tenaga pancaran itu cukup besar, maka frekuensi pancaran akan lebili tinggi. Hal ini menerangkan mengapa cahaya pada temperatur tinggi adalah kebiru-biruan. Dan manakala tenaga itu belum mencapai satu kuantum, maka tenaga itu belum dipancarkan. Teori kuantum cahaya yang diskrit ini mempunyai suatu dampak yang besar di bidang fisika. Teori ini menyokong teori, partikel cahaya dari Newton. Dan bersama itu, teori yang telah mundur ini bangkit kembali. Partikel cahaya dari teori Newton memperoleh nama baru: kuantum. Sering juga, kuantum cahaya ini dikenal dengan nama yang disebut foton.

Ada suatu hal yang cukup menarik pada teori kuantum ini. Teori kuan-tum mengakui adanya p aket tenaga cahaya yang diskrit yang menjurus ke teori Newton. Namun, di lain pihak, teori kuantum ini juga berbicara tentang frekuensi cahaya yang menjurus ke teori Huygens. Tidak heran kalau Louis de Broglie kemudian menggunakan teori kuantum ini untuk menyatukan kedua teori cahaya itu. Cahaya adalah partikel yang bergelombang.

Konstanta Planck
Konstanta yang membandingkan kuantuin dengan frekuensi cahaya itu, kemudian, dikenal sebagai konstanta Planck. Sekalipun nilainya sangat kecil, namun arti konstanta itu cukup besar. Mula-mula, Planck sendiri masih merasa ragu, apakah teori kuantum dan konstantanya itu hanya sekedar rumusan matematika saja atau juga mempunyai pengertian fisika. Namun, keraguan Planck itu dibuyarkan oleh para ilmuwan lain. Pada tahun 1905, Albert Einstein menggunakan teori kuantum untuk menjelaskan efek fotoelektrik. Pada tahun 1913, Niels Bohr menggunakan teori kuantum ke dalam struktur atom serta menerangkan banyak gejala yang belum dapat dijelaskan oleh ahli fisika abad sebelumnya. Dan Werner Karl Heisenberg meng-gunakan konstanta Planck untuk merumuskan asas ketidakpastiannya pada tahun 1927.

Asas ketidakpastian ini menumbangkan asas kepastian universal yang telah dianut manusia sejak zaman purbakala. Pandangan di dalam fisika berubah sama sekali. Untung, ketidakpastian itu sangat kecil, sekitar ukuran konstanta Planck.

Asas ketidakpastian ini juga berperan di dalam penjelasan tentang medan gaya atau aksi berjarak. Asas ini juga berperan pada penjelasan tentang medan gaya di dalam atom berkenaan dengan partikel subatomik. Menurut asas ketidakpastian, letak dan momentum tidak dapat sekaligus ditetapkan secara cermat. Ketidakpastian dalam penentuan yang satu dikali dengan ketidakpastian dalam penentuan yang lain, kira-kira sebesar konstanta Planck. Ketidakpastian ini dapat diteruskan ke besaran yang lain, yakni isi tenaga yang tepat dari suatu sistem tidak dapat ditentukan pada saat yang pasti betul (eksak).

Isaac Asimov mengemukakan suatu penjelasan yang baik tentang penerapan asas ketidakpastian pada medan gaya atau aksi berjarak. Sesungguhnya, gaya pada medan gaya, atau gaya pada aksi berjarak itu, adalah sentuhan gaya juga. Pada saat singkat yang tidak pasti itu, gelombang elektromagnetik berubah menjadi kuanta cahaya atau foton, bergerak melakukan gaya, serta kembali lagi, sebelum jangka waktu ketidakpastian itu lewat. Dalam proses ini mungkin saja terjadi pelanggaran hukum kekekalan tenaga. Namun, kata Asimov, dalam keadaan tidak pasti itu, siapa pula yang dapat menegakkan hukum kekekalan itu.

Pada tahun 1930, Planck diangkat menjadi presiden Lembaga Kaiser Wilhelm di Berlin. Lembaga ini kemudian diubah menjadi Lembaga Max Planck. Selama Perang Dunia II Planck tidak menyokong politik Hitler, sehingga ia dicopot dari kepresidenan lembaga itu. Setelah perang, kedudukan itu dipulihkan. Planck meninggal pada tahun 1947, dalam usia 90 tahun.

Teori kuantum, beserta konstanta Planck, yang diumumkan pada bulan terakhir dari tahun terakhir abad 19, ikut membuka lembaran baru fisika pada abad 20 ini. Dengan konstanta Planck, yang merupakan salah suatu konstanta dalam alam semesta ini, fisika memperoleh satu dimensi baru di dalam perkembangannya.

Oleh Dali S. Naga

Sumber: Majalah AKU TAHU/ Nopember 1984